【文章內容簡介】 細介紹了。所謂異質界面，是只有兩種聲阻抗不同的介質所構成的界面，如氣體/液體界面、氣體/固體界面、液體/固體界面以及固體(Z1)/固體(Z2)界面等。波的傳播總會受到界面的干擾。超聲波屬于機械波，只能在彈性介質中傳播。因此，當它遇到真空界面時，就只能以某種形式返回。這種現(xiàn)象若發(fā)生在光滑界面上時，則稱為反射；若發(fā)生在粗糙界面上時，稱為散射。如果一種介質與另一種介質緊貼著，聲波就能透過界面繼續(xù)向前傳播，這種現(xiàn)象稱為透射。當聲波通過兩種介質的界面時，一部分將被界面反射回第一介質。稱為反射波；另一部分將通過界面進入第二介質，稱為透射波。并且，聲波透過界面時將發(fā)生折射和波型轉換，其方向和強度也要發(fā)生變化，其變化的大小決定于兩種介質的聲阻抗值和原波的入射方向。下面我們應用幾何光學原理，討論超聲波在平面異質界面上的反射波和折射波的傳播方向。當超聲波從一種介質傳播到另一種介質時，其入射方向相對于異質界面而言，可以是垂直入射，也可以是傾斜入射。當垂直入射時，只有反射和透射；當傾斜入射時，除反射外，透射波要發(fā)生折射現(xiàn)象，同時伴隨著有波型轉換。所謂波型轉換，就是在第二介質中傳播的波型己不同于入射波的波型。，有一束平面縱波L以聲速c，入射到由阻抗為和的兩種介質所構成的平面界面上的O點。O點稱為入射點。L稱為入射波。入射波L的主聲束軸線與界面法線的夾角稱為入射角。 超聲波在平面異質界面的折射和反射根據幾何光學原理，聲束L入射到平面界面上時，有一部分反射回第一介質，即和，分別稱為反射縱波和反射橫波。因為仍在第一介質中傳播，聲速仍為。與法線的夾角稱為縱波反射角。與法線的夾角稱為橫波反射角。而另一部分聲波將通過界面，進入的第二介質，并發(fā)生波型轉換。這時，由于入射角的大小不同，在第二介質中傳播的波，可能是縱波、橫波或表面波，或兼而有之。在圖中，透過界面后就是縱波和橫波。這時，稱為折射縱波，稱為折射橫波。稱為縱波折射角，稱為橫波折射角。如果入射波是橫波，同樣可以按照上述方法分析。下面分別對反射和折射情況進行分析。并從工程應用的角度出發(fā)，重點分析折射問題。設縱波L以入射角傾斜入射到由阻抗為和構成的平面界面上時，將產生反射縱波。與此同時，由于波形轉換，又產生反射橫波。根據幾何光學反射定律，有 ，所以， （31）又 ，所以， （32）橫波入射用同樣的方法分析，在特殊情況下，當入射角為零，即垂直入射時，將產生一個與入射方向相反的反射波，縱波反射角也等于零，這是最簡單的情況。脈沖反射法就是利用了超聲波的反射作用來探測缺陷的。當入射波以某一入射角入射到第二介質為固體的異質平面界面上時，將發(fā)生波型轉換。透射波將分離為折射縱波或折射橫波。這兩種折射波的傳播方向是不同的，且都不同于入射波的方向。根據幾何光學的折射定律。折射波的折射角可按下式確定 （33） （34） （35）—折射縱波在第二介質中的聲速—折射橫波在第二介質中的聲速(1) 第一臨界角當縱波入射時，且在時，則由式(34)可知：，隨著的增大而增大。當=90176。時，縱波入射角稱為第一臨界角，以表示。當縱波入射角時，第二介質中只有折射橫波存在。這種情況構成縱波全反射。第一臨界角可以按下式確定： （36）(2) 第二臨界角當入射波為縱波，第二介質為固體，且時，則，也隨著的增大而增大。當=90176。時，縱波入射角稱為第二臨界角，以表示，且 （37）通常在超聲檢測中，臨界角的主要應用是在第二介質為固體，而第一介質為固體或液體的情況下。這種情況下，可利用入射角在第一臨界角和第二臨界角之間的范圍，在固體中產生一定角度范圍內的純橫波，對試件進行檢測。如：采用水浸法，使縱波以適當角度傾斜入射至水和鋼的界面，在鋼中產生折射橫波。(3) 第三臨界角第三臨界角是在固體介質與另一種介質的界面上，用橫波作為入射波時產生的。這種情況下，固體介質1中同時存在反射橫波和反射縱波，其中橫波反射角等于入射角，而縱波反射角大于入射角。當入射角增到到某一數(shù)值，將使縱波反射角為90176。如此，定義第三臨界角為橫波入射時，使縱波反射角達到90176。時的橫波入射角，用表示。對于鋼來說，=176。，因此，橫波斜入射至鋼與其它介質的界面上的入射角大于 176。時，則不再產生反射縱波。這對于橫波斜入射檢測是十分有利的，因為橫波檢測聲束路徑上常常要在試件的上下底面間經過一次或多次反射。[5]超聲波探傷儀、探頭和試塊是超聲波探傷系統(tǒng)的重要組成設備，下面簡要介紹一下這些設備的原理以及構造。超聲波探傷儀是超聲波探傷的主體設備，它的作用是產生電振蕩加至換能器探頭上，激勵探頭發(fā)射超聲波，同時將探頭送回的電信號進行放大，通過一定方式顯示出來，從而得到被探工件內部有無缺陷及缺陷位置和大小等信息。超聲波探傷技術在現(xiàn)代工業(yè)中的應用日益廣泛，由于探測對象、探測目的、探測場合、探測速度等方面的不同要求，因而有不同的超聲波探傷儀，常用的有以下幾種： 一、按超聲波的連續(xù)性分類(1) 脈沖波探傷儀：這種儀器通過探頭向工件周期性地發(fā)射不連續(xù)而且頻率不變的超聲波，根據超聲波的連續(xù)時間及幅度判定工件中缺陷的位置和大小。本設計采用脈沖波探傷儀。(2) 連續(xù)波探傷儀：這種儀器通過探頭向工件發(fā)射連續(xù)而且頻率不變(或在小范圍內周期性變化)的超聲波，根據透過工件的超聲波強度變化來判斷工件中有無缺陷及缺陷大小。(3) 調頻波探傷儀：這種儀器探頭發(fā)出的是連續(xù)的頻率不斷變化的超聲波，根據發(fā)射波與反射波的頻差變化情況判斷工件有無缺陷?，F(xiàn)在大多已被脈沖探傷儀所取代。二、按缺陷顯示方式分類(1) A型顯示探傷儀：A型顯示是一種波形顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標代表波的傳播時間(或距離)?？v坐標代表反射波的幅度，由反射波的位置可以確定缺陷的位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。(a)所示。本設計采用A型顯示。(2) B型顯示探傷儀：B型顯示是一種圖像顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標是靠機械掃描代表探頭的掃描軌跡，縱坐標是靠電子掃描來代表聲波的傳播時間(或距離)，因而可以直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。(b)所示。(3) C型顯示探傷儀：C型顯示也是一種圖像顯示，探傷儀熒光屏的縱、橫坐標都是靠機械掃描來代表探頭在工件表面的位置。探頭接收信號幅度以光點灰度表示，或者以不同的顏色表示。因而當探頭在工件表面移動時，熒光屏上便顯示出工件內部缺陷的平面圖像，但是不能顯示缺陷的深度。(c)所示。(a) A型顯示 (b) B型顯示 (c) C型顯示 缺陷顯示方式探頭是實現(xiàn)電信號與聲信號相互轉換的器件，是超聲波探傷儀的重要組成部分。目前所用到的探頭，絕大多數(shù)是利用壓電效應原理制作的。探頭中的核心元件是壓電晶片，它的作用是發(fā)射和接收脈沖超聲波。壓電晶片是探頭的關鍵元件，其性能好壞直接關系到探頭的質量，因而各種探頭的壓電晶片都是經過精心制作而成的。超聲波探傷中，由于被探工件的形狀和材質、探傷的目的、探傷的條件不同，因而使用各種不同形式的探頭。在超聲波探傷中常用的探頭包括直探頭、斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭等。波束垂直于被探工件表面入射的探頭稱為直探頭。直探頭用來發(fā)射和接收縱波，一般用于手工操作接觸法探傷。直探頭既適宜于單探頭反射法，也適宜于雙探頭穿透法。使波束傾斜于工件表面射入工件的探頭稱為斜探頭，依入射角度的不同，可以在工件中產生縱波、橫波和表面波，也可以在薄板中產生板波。通常的斜探頭指橫波斜探頭，它的標稱方式常用橫波在鋼中的折射角的正切值(也稱為K值)來標稱。超聲波探傷中，超聲波的發(fā)射和接收都是通過探頭實現(xiàn)的。探頭的類型很多，性能各不相同，需要根據檢驗的對象合理的選擇探頭。比如在探測鍛件時，一般選用直探頭在鍛壓面上探測；而在檢查焊縫時，因為存在焊縫加強面以及危險缺陷大多垂直于或大致垂直于探測面，一般選用斜探頭探傷。Ⅱ區(qū)，因此我們選擇接觸式縱波斜探頭和接觸式縱波直探頭探傷。所謂標準試塊，就是指它的材質、形狀、幾何尺寸、性能等是由國際組織討論通過的，或者由某個國家的權威機關討論通過的。還有一些非標準的，可能是由用戶制定的參考試塊，它們都是用來調節(jié)、校驗儀器的。試塊上這些已知的特征可以造成特定的聲學特性，超聲波探傷儀在實際使用時常常采用與試塊相比較的辦法來確定被檢測物體的狀況。試塊在超聲波探傷技術中的應用主要有三個方面：(1) 確定合適的探傷方法有時在探傷之前，我們就預先知道或者大概知道缺陷可能發(fā)生在什么部位，也有時僅僅需要探測某一部位有無缺陷。我們可以應用在某個部位帶有某種人工缺陷(孔、凹槽等)的試塊來摸索合適的探傷方法。一般來說，在這樣的試塊上摸索到的規(guī)律，也適用于與試塊材質、尺寸相同的工件。(2) 確定探傷靈敏度和評價缺陷的大小大多數(shù)的探傷儀都有較大的靈敏度調整范圍，以便能探測不同種類、不同厚度的工件。在每次探傷時使用的靈敏度各不相同，為了能確定探傷時所采用的靈敏度，就需要使用帶有人工缺陷的試塊。用人工缺陷波的波高表示探傷靈敏度，是最常用的一種定量地表示靈敏度的方法。評價被探工件中某一深度處缺陷的大小，可以利用試塊，通過比較同一深度處的各種人工缺陷波波高的方法來實現(xiàn)。這就是超聲波探傷中常說的當量法。(3) 測試和校驗探傷儀及探頭的性能。超聲波是一種機械波，在介質中傳播遵循幾何光學特性，在不同材料界面之間會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。超聲波探傷是利用超聲波在異質界面的反射作用判斷缺陷的存在，利用聲束的指向性對缺陷進行定位，利用超聲反射或穿透聲壓的大小來鑒別材料缺陷的大小，缺陷顯示方式分為A型、B型、C型顯示。同時，為了更加直觀對比缺陷，介紹了標準試塊。 第四章 虛擬超聲波探傷儀的硬件部分虛擬超聲波探傷儀基本結構分兩部分：一部分是硬件部分，另一部分是軟件部分。硬件部分要實現(xiàn)超聲波的發(fā)射、缺陷回波信號的接收、數(shù)據傳輸以及整個電路工作的協(xié)調控制等功能。 虛擬超聲波探傷儀結構圖工作原理闡述如下：首先傳統(tǒng)超聲波探傷儀的發(fā)射電路產生高壓電脈沖，加到探頭里的壓電晶片上，使晶片產生超聲波，對重軌進行探傷后，其次由LabVIEW控制面板的采集鍵控制數(shù)據采集操作，當按下采集按鈕后， PCI6221數(shù)據采集卡進行數(shù)據采集，然后輸入到計算機。[4]發(fā)射部分能產生約500V以上的高壓電脈沖，這個電脈沖加到壓電晶片上能使